You are currently viewing Газоотсасывающая и электрогенерирующая установка на закрытой шахте

Газоотсасывающая и электрогенерирующая установка на закрытой шахте

Содержание

В городе Ленинске-Кузнецком Кемеровской области с июля 2003 г. по ноябрь 2004 г. проводился эксперимент по отсосу остаточного метана из закрытой шахты «Кольчугинская» и его энергетическому использованию.

Рабочий проект «Организация отсоса метана из выработанного пространства ликвидируемой шахты «Кольчугинская» разработан 3AO «Институт «Шахтопроект» (г. Санкт- Петербург) по техническому заданию лаборатории энергетики ФГУП ННЦ ИГД им. А.А. Скочинского. Финансировало его Государственное учреждение по вопросам реорганизации и ликвидации нерентабельных шахт и разрезов (ГУРШ).

В рамках данного проекта был проведен следующий объем работ:

  • Согласование проекта и технологической схемы газомоторной установки (ГМУ).
  • Проведена экспертизы проекта на промышленную безопасность.
  • Комплектация оборудования.
  • Монтаж ГМУ.
  • Оформление разрешительно лицензионной документации.
  • Обучение и аттестация персонала.
  • Пуско-наладочные работы.
  • Ввод в эксплуатацию эксплуатацию установки.

Реализацию проекта обеспечили следующие организации:

  • ООО «Кузбассэлектро-М».
  • Научно технический и экспертно-испытательный центр электрооборудования и систем электроснабжения (НТЭИцентр) Кузбасского государственного технического университета (КузГТУ).

Предметная область проекта

Шахта «Кольчугинская» разрабатывала угольные пласты Грамотеинской и Ленинской свит Ерунаковской подсерии Кольчугинской серии верхнепермского возраста. Размеры шахтного поля 8,3 км2.

Проектом предусматривалось создание ГМУ со следующими исходными вводными и составляющими:

  • Установка работает на метане с концентрацией 25-95 %.
  • Специально пробуренная газоподающую скважину глубиной 230 м.
  • Газоотсасывающий блок с вакуум-насосом.
  • Две армейских электростанции ЭСДА 200 мощностью по 200 кВт каждая с переделанными на газ дизелями 12ГЧ15/18.
  • Блок управления.
  • Линия электропередачи  0,4  кВ сечением 4×70 кв.мм длиной 300 м до трансформатора TM-180 кВ*А, который осуществлял связь электростанции с системой электроснабжения OAO «Ленинск Кузнецкая горэлектросеть».
  • Вырабатываемая электроэнергии передавалось в сеть 0,4/0,23 кВ находящегося поблизости частного жилого массива и через трансформатор связи в городскую сеть напряжением 6 кВ.

В качестве коллекторов метана рассматривались зоны влияния горных работ отработанных пластов:

  • «Поджуринский-5» с расчетным объемом 675 тыс. м3 при концентрации 90%.
  • «Поджуринский-1» с объемом 170 тыс. м 3 с концентрацией 20 %.

В пересчете этот объем метана мог содержать 23,1 млн. кВт*ч электроэнергии. Воспользоваться расчетными запасами метана не удалось, поскольку создание ГМУ проводилось параллельно с затоплением шахты и к моменту завершения ее монтажа выработанное пространство частично было затоплено.

Газоподающая скважина была пробурена в выработанное пространство пласта «Поджуринский-5» и обсажена глухими трубами диаметром 273 мм на расстоянии 50 м от поверхности, а дальше — трубами 168 мм со щелевой перфорацией.

Скважина не выдавала газ даже при работающем вакуум-насосе с разряжением до 50 кПа.

Для ее активизации произвели взрывание ВВ внутри обсадочной трубы в трех местах на рисунке 1 отмечены окружностями данные области:

где

  • О — места взрывания ВВ.

Далее произвели пневмообработку всей скважины с помощью установки АПП-200 с давлением в магистрали 13 – 14,5 МПа и в рабочей камере 8 – 13 МПа. На один метр производили 10 выстрелов на спуске рабочего органа.

В результате этих мер скважина начала выдавать метан с концентрацией 25 % при вакууме 45-5- кПа с последующим увеличением до 56–70 % с меняющейся газоотдачей от 1,2 до 3 м3/мин, что свидетельствует о высоком аэродинамическом сопротивлении выработанного пространства, из которого в нее поступал газ. При не работающем вакуум-насосе газ из скважины не поступал.

Схема установки

Газоотсасывающий блок (ГОБ), это утепленный металлический бокс с размещенными в нем:

  • Вакуумный-насос.
  • Трубопроводы.
  • Запорной арматурой.
  • Обратными клапанами.
  • Огнепреградителями.
  • Датчиками концентрации метана и его расхода.

Его упрощенная технологическая схема приведена на рисунке 2:

Рисунок 2 - Упрощенная технологическая схема газоотсасывающего блока
Рисунок 2 - Упрощенная технологическая схема газоотсасывающего блока

где

  • 1,9 — обратные клапаны.
  • 2 — водоотделитель.
  • 3 — водосборный бак.
  • 4 — фильтр.
  • 5, 7, 10, 11 — огнепреградители.
  • 6 — газодувка.
  • 8 — выравнивающая емкость.
  • KI, К2 — шаровые краны.

В качестве вакуум-насоса в ГОБ установлена роторная объемная газодувка 1Г24-30-2В производства OAO «Мелком» (Мелитопольский компрессор) с взрывозащищенным электродвигателем мощностью 7.5 кВт и номинальной производительностью – 11 м3/мин с перепадом давления между всасом и нагнетанием 50 кПа.

В свою очередь роторные газодувки имеют свои плюсы и минусы, в частности:

  • Имеют ряд важных преимуществ перед водокольцевыми вакуум-насосами, которые широко применяют в дегазационных установках, в частности, их энергоемкость примерно в 12-14 раз ниже за счет высокого КПД, а перекачиваемый газ не насыщается парами воды и не требует сушки перед подачей в поршневые двигатели.
  • Недостаток состоит в том, что их можно применять только в комплекте с огнепреградителями, поскольку при большом износе подшипников предположительно существует вероятность cyxoгo трения роторов, что может быть причиной воспламенения перекачиваемой метано-воздушной смеси.

Есть основные элементы установки которые позволяют обеспечить безопасность эксплуатации, в частности: 

  • В ГОБ по разрешению Госгортехнадзора РФ установлены в качестве огнепреградителей огневые предохранители ОП-100 Армавирского опытного машиностроительного завода. Они с двух сторон ограждают газодувку (позиции 5 и 7 на рисунок 2) и установлены на газосбросовых свечах (10 и 11) для предотвращения воспламенения сбрасываемого газа под воздействием какой-либо внешней причины (например, разряда молнии).
  • Цистерна 8 емкостью 18 предназначается для стабилизации работы газовых двигателей.
  • Обратные клапаны 1 и 9 предотвращают уход газа в скважину при остановке двигателя газодувки.
  • В фильтре 4 установлены фильтрующие элементы от автомобиля КамАЗ, заменяемые через каждые 120 130 ч наработки ГМУ из-за отложений пыли.
  • Измерение концентрации метана, поступающего из скважины, а также могущего скапливаться в боксах электростан­ций и газоотсасывающем блоке производилось с помощью ком­плекса АКМР-М и периодически дублировали приборами ШИ-12 и М-01.
  • Расход смеси измеряли прибором «Метран».

В работе постоянно находилась одна электростанция из-за недостатка газа и малой мощности трансформатора связи с городской электросетью, которая не позволяла поднять мощность генератора выше 145 кВт.

В процессе пусконаладочных работ и последующей за ними эксплуатацией ГМУ про­изводили систематические (через час) записи приборов, контролирующих ее работу, в том числе:

  • Концентрацию метана из скважины.
  • Мощность ГМУ, отдаваемую в сеть, кВт.
  • Вакуум, создаваемый газодувкой в скважине, кПа.
  • Давление газа перед двигателем, кПа.
  • Вырабатываемую ГМУ электроэнергию, кВт-ч.
  • Расход газовоздуш­ной смеси, поступающей из скважины, м3/мин.
  • Атмосферное давление при работе ГМУ, мм ртутного столба.
  • Продолжительность работы двигателя общую и на одно включение до снижение концентрации метана ниже 38-40 %, ч.

Анализ работы установки

Полученные данные были обработаны с помощью методов математической стати­стики, что позволило перейти к обобщенным выводам.

Характеристики каждого из контролируемых параметров рассчитывали с до­верительной вероятностью не ниже 0,85.

Концентрация поступающего из скважины метана не была постоянной и менялась как за время эксплуатации ГМУ, так и на одно ее включение представлены на рисунке 3:

Рисунок 3 - Гистограмма распределения концентрации метана за время работы ГМУ
Рисунок 3 - Гистограмма распределения концентрации метана за время работы ГМУ

Из гистограммы видно:

  • Что эксплуатация ГМУ большую часть времени проводилась при кон­центрации метана 41 – 56 % менялась во времени и газоотдача скважины.
  • В связи с этим режим работы ГМУ был циклическим.
  • Ее включали в работу при содержании метана 52-56 % и вы­ше.
  • При содержании газа 38-40 % двигатель сбрасывал на­грузку и отключался автоматически, хотя по энергосодержа­нию газовоздушной смеси из скважины он мог работать при концентрации СН4 до 25 %. Объясняется это недоработкой конструкции редукционного клапана двигателя, устранить которую в процессе эксплуатации не представилось возможным.
  • Наработка ГМУ на снижение концентрации от 52-56 % до 38-40 % составляла 6-8 ч, пауза между включениями 8-12 ч. За это время эта концентрация вновь поднималась до 52-56 % и ГМУ включали в работу.

Таким образом ГМУ работала на смеси с теплотворной способностью 20,1 — 14,36 МДж/нм3 (теплотворная способность чистого метана — 35,9 МДж/м3) в течение 12-16 ч в сутки.

Изменение концентрации метана из скважины происходило с разной скоростью, как это показано на рисунке 4, где приведе­на гистограмма распределения этих скоростей на одно включение ГМУ:

Рисунок 4 - Гистограмма распределения скоростей снижения концентрации СН4 за одно включение
Рисунок 4 - Гистограмма распределения скоростей снижения концентрации СН4 за одно включение

Следовательно скорость составила от 1,6 до 9,6 %/ч со средним значением 4,67 %/ч.

Это свидетельствует не только о неравномерности поступления газа в скважину, но и о невозможности обеспечить стабильную отдачу ГМУ мощ­ности в сеть без регулятора объема газовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателей. О неравномерном поступлении газа в скважину свидетельствует также разность скоростей снижения концентрации метана между наибольшими и наименьшими ее значениями за время работы двигателя.

Эта скорость распределялось от 3,8 до 7,6 %/ч и от 11,4 до 19,0 %/ч, то есть наблюдался своеобразный волновой процесс поступления газа в скважину.

Разная скорость поступления метана в скважину из выработанного пространства и изменение газоотдачи оказывало самое непосредственное влияние на стабильность работы ГМУ и на уровень выдаваемой двигателем мощности.

Влияние атмосферного давления показано на рисунке 5:

Рисунок 5 - Изменение концентрации метана при различном атмосферном давлении
Рисунок 5 - Изменение концентрации метана при различном атмосферном давлении

где

  • 1 — при давлении 730 мм ртутного столба.
  • 2 — при 755 мм ртутного столба.

На графике приведены кривые регрессии между концентрацией метана и длительностью работы ГМУ при давлении 730 и 750 мм ртутного столба.

Из графика видно:

  • Что концентрация метана повышалась при сниже­нии атмосферного давления и наоборот вне зависимости от продолжительности работы ГМУ tP, ч.
  • Высокие коэффициенты корреляционных отношений R73O=0,975 и R750 = 0,94 свидетельствуют о практически функциональных связях этих зависимостей.
  • Восстановление концентрации метана после достижения ею минимального значения и отключения ГМУ происходило также с разной скоростью.

Большой разброс скоростей снижения и восстановления концентрации метана можно объяснить как малыми значениями коэффициента пустотности обрушенных много лет на­зад горных пород, так и тем, что движение газа из зоны влияния горных работ к скважине могло происходить не только за счет создаваемого газодувкой вакуума, но и за счет диффузии.

За время пуско-наладоч­ных работ и эксплуатации ГМУ были получены следующие результаты:

  • Откачено из выработанного пространства 291 930 м3 метано-воздушной смеси со средней концентрацией СН4 около 50 %.
  • Выработано 99 840 тыс. кВт*ч электроэнергии.
  • Коэффициент отдачи энергии из метано-воздушной смеси со­ ставил 0,342.

При реализации проекта был разработан и утвержден в установленном порядке нормативный документ: «Временное руководство по безопасной эксплуатации установок энергети­ческого использования шахтного и природного метана», кото­рый является нормативной базой для проектирования анало­гичных ГМУ и основой для экспертизы проектов на промышленную безопасность.

Из опыта работы ГМУ стало ясно:

  • Что технологическую схему ГОБ можно упростить за счет резервного огнепреградителя и водоотделителя с водосборным баком.
  • Комплекс из­мерения метана АКМР-М требует систематической (через 100 — 120 ч работы) настройки. Он имеет высокую инерционность (до 15 с) и в силу этого непригоден для систем регули­рования количества подаваемой в двигатель метано-воздушной смеси при изменении концентрации.

Газопоршневые двигатели необходимо оснащать регуляторами количества подаваемой в них газовоздушной смеси для обеспечения их стабильной ра­боты.

Опыт показал, что проектирование газотсасывающих установок с целью энергетического использования метана из закрытых шахт целесообразно производить в два этапа:

  • На первом этапе необходимо выбирать место расположения скважины с расчетом возможных запасов метана и производить ее бурение с измерением аэродинамического сопротивления и газоотдачи.
  • На втором этапе необходимо выбирать характеристики всего технологического оборудования и электростанций.

Выработанное пространство оказалось ненадежным источником снабжения ГМУ метаном.

Перспектива, на наш взгляд, за использованием в качестве коллекторов метана непогашенных основных выработок шахт при условии, что они не будут затоплены.

Источник: Газоотсасывающая и электрогенерирующая установка на закрытой шахте / Г.И. Разгильдеев, В.И. Серов // Вестник КузГТУ. — 2005. — №4.2. — C. 27-30.

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org